CN113061766A - 一种提高钨铼合金高温强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高钨铼合金高温强度的方法，该方法包括：一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，在惰性气氛下进行高能球磨，得到混合合金粉末；二、将混合合金粉末装入石墨模具中进行快速放电等离子烧结，随炉冷却后得到钨铼合金。本发明采用高能球磨结合高温下的快速放电等离子烧结工艺，有效细化晶粒，提高钨铼合金致密度，并使得HfC发生碳化的粗化过程，从而HfC分布在基体晶体内部和晶界处且呈多种不同尺寸，产生多尺寸强化效应，有效提高了钨铼合金的高温强度，满足了火箭喷管***部件、锥体部件及发动机或引擎件等应用寿命的要求，且制备工艺流程短，无环境污染，经济效益高。

Description

一种提高钨铼合金高温强度的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金/复合材料技术领域，具体涉及一种提高钨铼合金高温强度的方法。
背景技术
钨(W)及其合金具有高熔点(高达3410℃)、优异的高温强度、良好的导热性和耐腐蚀性等优点，被广泛应用于火箭发动机的喷管、涡轮和燃烧室、核反应堆、动能穿刺器等。钨铼合金(W-Re)结合了钨的优点，同时依靠铼效应细化钨的晶粒尺寸，提高钨的力学性能和高温稳定性。
W-Re合金由于铼的添加，具有一系列优良性能，如高熔点、高强度、高硬度、高塑性、高的再结晶温度、高电阻率、低蒸气压、低电子逸出功和低的塑性脆性转变温度等。因此，在电子、核能、航天和测温等方面具有广泛用途。由于其高熔点及高温强度，W-Re合金也被用作宇航飞行器的挡热板、火箭喷管***部件、锥体部件、发动机或引擎件的涂料。随着对W-Re合金研究的深入，其在高温领域的应用潜力也被进一步挖掘，从最初的用于热电偶测温，逐渐扩展到核能、航空航天等领域，具有极大的应用潜力。而作为高温结构材料，随着使用要求的不断提高，对W-Re合金的性能提出了更高要求，如要求其具备优异的高温强度。
目前W-Re合金在力学性能方面主要存在的问题主要集中在铼会导致合金的高温力学性能下降，即W-Re合金的熔点较低，比如W-26Re的熔点比纯钨的低近400K，原子间的相互作用力的下降对室温力学性能影响不大，但对于高温力学性能而言会产生较大的影响。现有研究发现，在钨中添加铼可以增加钨材料的塑性性能以及室温强度，但是过多的铼反而降低了钨材料的高温强度，并且铼作为稀有贵金属，高铼含量必然导致成本增加。因此找到一种合适的方法来保证W-Re合金优异的高温力学性能的同时降低铼含量非常必要。
近年来，碳化物/氮化物(TiC、HfC、ZrC、TiN、ZrN等)作为增强体被用于改善金属材料的力学性能，通过常温、高温弥散强化并增强抗烧蚀性能。但目前对于碳化物强化W-Re合金的制备、加工、微观组织及力学性能尚无***性研究，对其强化机制也阐述不清，无法为其合理应用提供必要的指导。因此，开展碳化物强化W-Re合金的研究，得到相关强化工艺十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提高钨铼合金高温强度的方法。该方法采用高能球磨结合高温下的快速放电等离子烧结工艺，有效细化晶粒，提高钨铼合金致密度，并使得HfC发生碳化的粗化过程，从而HfC分布在基体晶体内部和晶界处且呈多种不同尺寸，产生多尺寸强化效应，有效提高了钨铼合金的高温强度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，在惰性气氛下进行高能球磨，得到混合合金粉末；
步骤二、将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中进行快速放电等离子烧结，随炉冷却后得到钨铼合金；所述快速放电等离子烧结的过程为：在30MPa～60MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2400℃并保温25min～35min。
本发明通过高能球磨，采用机械合金化的方法对混合合金粉末中各原料粉末的晶粒进行细化，结合添加HfC粉进一步细化晶粒，实现对钨铼合金的强化，提高了钨铼合金的致密度，增加钨铼合金的硬度，从而大大提高钨铼合金的高温强度和韧性；同时采用快速放电等离子烧结工艺，通过先快速升温至1200℃，有效去除原料中的杂质氧，避免软化相的形成，然后慢速升温至2400℃并保温，使得HfC发生碳化的粗化过程，即在钨铼合金基体的晶界和位错线处进行选择性的颗粒生长，而晶内即部分晶界处也存在部分纳米HfC颗粒，从而使得HfC分布在基体晶体内部和晶界处且呈多种不同尺寸，产生多尺寸强化效应，有效提高了钨铼合金的高温强度。
上述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm。
上述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨采用QM-3SP2行星式球磨机进行，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为350rpm～450rpm，时间为35h～45h，球料比为10～15：1。通过控制高能球磨的工艺参数及条件，保证各原料粉末的晶粒进行充分细化，同时避免各原料粉末的氧化团聚。
上述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的10％～20％。
上述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末2～3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的5～10倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为40℃～60℃，干燥时间3h-5h。
上述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤二中先在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后装入混合合金粉末，并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定。通过该设置避免混合合金粉末因热膨胀系数过大在烧结过程中导致模具开裂，对设备造成危害，保证了后续烧结过程的顺利进行。
上述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤二中所述快速放电等离子烧结过程中通入氩气进行保护，且随炉冷却至室温后出炉。通过氩气保护避免空气进入，保证了烧结质量。
上述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤二中所述钨铼合金的组成为W-3Re-xHfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的x％，且0＜x≤10。本发明通过引入HfC，将钨铼合金中的Re质量含量降低至3％，从而降低了Re原料成本，且提高了钨铼合金的高温强度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过高能球磨，采用机械合金化的方法对混合合金粉末中各原料粉末的晶粒进行细化，结合添加HfC粉进一步细化晶粒，实现对钨铼合金的强化，提高了钨铼合金的高温强度和韧性，同时采用高温下的快速放电等离子烧结工艺，进一步提高了钨铼合金的致密度，增加钨铼合金的硬度，从而大大提高了钨铼合金的高温强度。
2、本发明充分利用HfC的独特粗化效应，通过控制快速放电等离子烧结的温度，使得HfC发生粗化，即在钨铼合金基体的晶界和位错线处进行选择性的颗粒生长，而晶内即部分晶界处也存在部分纳米HfC颗粒，从而使得HfC分布在基体晶体内部和晶界处且呈多种不同尺寸，产生多尺寸强化效应，有效提高了钨铼合金的高温强度。
3、本发明通过对不同HfC质量含量的钨铼合金进行研究，获知提高钨铼合金高温强度的机制包括晶粒强化、Orowan强化和界面热失配强化相，且在一定范围内随着HfC质量含量的增加，钨铼合金的硬度越大，高温强度越高，即钨铼合金中HfC质量含量与总高温强度呈正比。
4、相对于传统高温合金、稀土掺杂钨合金、钨铼合金和铱/铼复合材料等，本发明制备得到的钨铼合金在具备较好的塑性的同时，保持较高强度和硬度，能够满足火箭喷管***部件、锥体部件及发动机或引擎件等应用寿命的要求。
5、本发明的制备工艺短流程，无环境污染，经济效益高。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1a为本发明实施例1～实施例6和对比例1中W粉的微观形貌图。
图1b为本发明实施例1～实施例6和对比例1中Re粉的微观形貌图。
图1c为本发明实施例1～实施例6和对比例1中HfC粉的微观形貌图。
图2a为本发明对比例1中制备的钨铼合金的微观组织形貌图。
图2b为本发明实施例3中制备的钨铼合金的微观组织形貌图。
图2c为本发明实施例4中制备的钨铼合金的微观组织形貌图。
图2d为本发明实施例5中制备的钨铼合金的微观组织形貌图。
图2e为本发明实施例6中制备的钨铼合金的微观组织形貌图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，放置于QM-3SP2行星式球磨机中在惰性气氛下进行高能球磨，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为350rpm，时间为35h，球料比为10:1，得到混合合金粉末；
所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm；所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的10％；高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末2次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的5倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为40℃，干燥时间3h；
步骤二、在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定，再进行快速放电等离子烧结，在氩气气氛、30MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2400℃并保温25min，随炉冷却至室温后出炉得到钨铼合金；所述钨铼合金的组成为W-3Re-0.5HfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的0.5％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，放置于QM-3SP2行星式球磨机中在惰性气氛下进行高能球磨，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为450rpm，时间为45h，球料比为15:1，得到混合合金粉末；
所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm；所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的20％；高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的10倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为60℃，干燥时间5h；
步骤二、在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定，再进行快速放电等离子烧结，在氩气气氛、60MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2100℃并保温35min，随炉冷却至室温后出炉得到钨铼合金；所述钨铼合金的组成为W-3Re-10HfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的10％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，放置于QM-3SP2行星式球磨机中在惰性气氛下进行高能球磨，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为400rpm，时间为40h，球料比为12:1，得到混合合金粉末；
所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm；所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的15％；高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的8倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为50℃，干燥时间4h；
步骤二、在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定，再进行快速放电等离子烧结，在氩气气氛、40MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2100℃并保温30min，随炉冷却至室温后出炉得到钨铼合金；所述钨铼合金的组成为W-3Re-0.5HfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的0.5％。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，放置于QM-3SP2行星式球磨机中在惰性气氛下进行高能球磨，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为400rpm，时间为40h，球料比为12:1，得到混合合金粉末；
所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm；所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的15％；高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的8倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为50℃，干燥时间4h；
步骤二、在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定，再进行快速放电等离子烧结，在氩气气氛、40MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2100℃并保温30min，随炉冷却至室温后出炉得到钨铼合金；所述钨铼合金的组成为W-3Re-1HfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的1％。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，放置于QM-3SP2行星式球磨机中在惰性气氛下进行高能球磨，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为400rpm，时间为40h，球料比为12:1，得到混合合金粉末；
所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm；所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的15％；高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的8倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为50℃，干燥时间4h；
步骤二、在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定，再进行快速放电等离子烧结，在氩气气氛、40MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2100℃并保温30min，随炉冷却至室温后出炉得到钨铼合金；所述钨铼合金的组成为W-3Re-5HfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的5％。
实施例6
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，放置于QM-3SP2行星式球磨机中在惰性气氛下进行高能球磨，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为400rpm，时间为40h，球料比为12:1，得到混合合金粉末；
所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm；所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的15％；高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的8倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为50℃，干燥时间4h；
步骤二、在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定，再进行快速放电等离子烧结，在氩气气氛、40MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2100℃并保温30min，随炉冷却至室温后出炉得到钨铼合金；所述钨铼合金的组成为W-3Re-10HfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的10％。
对比例1
本对比例包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉和Re粉，放置于QM-3SP2行星式球磨机中在惰性气氛下进行高能球磨，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为400rpm，时间为40h，球料比为12:1，得到混合合金粉末；
所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm；所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉和Re粉总质量的15％；高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉和Re粉总质量的8倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为50℃，干燥时间4h；
步骤二、在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定，再进行快速放电等离子烧结，在氩气气氛、40MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2100℃并保温30min，随炉冷却至室温后出炉得到钨铼合金；所述钨铼合金的组成为W-3Re，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％。
对本发明实施例3～6和对比例1制备的钨铼合金的实测密度、理论密度、相对密度和显微硬度分别进行检测，结果如下表1所示。
表1
Figure BDA0002984365050000111
从表1可知，随着钨铼合金中HfC质量含量(0％～5％)的增加，钨铼合金的相对密度也随之增加，说明一定质量含量HfC颗粒存在有利于增加钨铼合金的相对密度，当碳化铪质量含量超过5％时，随着碳化铪质量含量的增加(5％～10％)，钨铼合金的相对密度随之降低，当钨铼合金中HfC的质量含量达到约10％时，HfC颗粒在W基体中的均匀分散变得困难，出现HfC颗粒在W晶界处聚集的现象，部分HfC粒子不能与W粒子接触，导致钨铼合金的相对密度下降。因此，从碳化铪质量含量的增加对钨铼合金的相对密度影响的变化过程分析得出：少量HfC粒子有效激活了晶界，促进晶界滑动即GBs迁移，但随着HfC含量的增加，HfC颗粒发生团聚。同时，随着碳化铪质量含量的增加(0％～10％)，钨铼合金的维氏显微硬度也随之显著增加，尤其在碳化铪质量含量为10％时(实施例6)，钨铼合金的维氏显微硬度约为659.4HV，比钨铼合金基体(对比例1)提高了92.5％。
图1a为本发明实施例1～实施例6和对比例1中W粉的微观形貌图，图1b为本发明实施例1～实施例6和对比例1中Re粉的微观形貌图，图1c为本发明实施例1～实施例6和对比例1中HfC粉的微观形貌图，从图1a～图1c可知，W粉粉末粒度较大，粉末主要以大小粒度组合为主，较大颗粒的粉末以近球形为主，Re粉粉末粉体呈树枝状，HfC粉末粒度分布均匀，平均粒度大约为1μm，有部分细小颗粒聚集，粉末以多边形状为主。
对本发明实施例3～6和对比例1制备的钨铼合金的组织进行观察检测，结果如图2a～2e所示。
图2a为本发明对比例1中制备的钨铼合金的微观组织形貌图，图2b为本发明实施例3中制备的钨铼合金的微观组织形貌图，图2c为本发明实施例4中制备的钨铼合金的微观组织形貌图，图2d为本发明实施例5中制备的钨铼合金的微观组织形貌图，图2e为本发明实施例6中制备的钨铼合金的微观组织形貌图。从图2a可知，对比例1中未添加HfC颗粒的钨铼合金的固溶合金基体组织为典型的枝晶组织，平均晶粒粒径为8.8μm，组织几乎完全致密，没有明显的残余气孔，而图2b～图2e中添加HfC颗粒的钨铼合金组织中包含浅灰色相钨铼基体和深灰色相HfC颗粒，，且添加HfC颗粒的钨铼合金的平均晶粒粒径明显小于图2a中未添加HfC颗粒的钨铼合金，说明HfC颗粒抑制了钨铼合金在高温烧结过程中的晶粒长大，起到晶粒细化作用；同时，图2b～图2e可以看出，由于HfC颗粒之间烧结性差，HfC与钨铼基体界面相容性差，部分HfC颗粒团簇中存在少量的微孔，可能成为微裂纹形成的潜在来源。
根据观察检测的结果获得钨铼合金的强化机制：(1)晶粒细化强化；(2)Orowan强化；(3)界面热失配强化；即由于HfC颗粒与W-3Re基体的热错配，在HfC/W-3Re界面上发生棱柱式冲孔位错，导致W-3Re基体加工硬化。对三种不同强化机制与钨铼合金中HfC的质量含量、高温强度的关系进行研究，结果如下：
(1)晶粒细化强化
随着钨铼合金中HfC的质量含量的增加，钨铼合金基体的晶粒尺寸显著细化，根据Hall-Petch关系增强了钨铼合金的高温强度，且晶粒细化强化对钨铼合金高温强度的贡献数值ΔσGR由式(1)估算得到：
Figure BDA0002984365050000131
其中，式(1)中的K为常数，dc和dm分别为钨铼合金和参考样品的平均晶粒尺寸；
(2)Orowan强化
在金属基复合材料中，HfC、La2O3、TiC等原位或非原位增强粒子通过抑制位错运动增强金属基。在塑性变形过程中，由于钨铼合金基体中的位错与分散的HfC相互作用，位错倾向于向外弓出并形成Orowan环进行强化，Orowan强化对钨铼合金高温强度的贡献数值ΔσHfC由式(2)计算得到：
Figure BDA0002984365050000132
其中，式(1)中的M为Taylor因素，G为剪切模量(161GPa)，b是Burgers vector大小(0.274nm)，
Figure BDA0002984365050000133
为HfC粒子直径，λ为钨铼合金基体中HfC颗粒的粒子间距离，且HfC颗粒间距离λ由式(3)计算得到：
Figure BDA0002984365050000134
其中，VHfC为HfC的体积分数；
(3)界面热失配强化
HfC颗粒(6.7～7×10-6K-1)与W-Re基体(5.43×10-6K-1)的热膨胀系数差异显著，这种热错配导致HfC-W界面位错的棱柱冲切，导致金属基复合材料的加工硬化，界面热失配强化对钨铼合金高温强度的贡献数值ΔσTM由式(4)计算得到：
Figure BDA0002984365050000135
其中，K为材料常数～0.94，G为剪切模量(161GPa)，b为Burgers vector(0.274nm)，ΔT为加工温度与测试温度之差，ΔC是在CTE中的不同，VHfC为HfC在基体中的体积分数，dHfC为增强HfC颗粒直径。
本发明实施例1～4和对比例1制备的钨铼合金中各强化机制对高温强度(高温为1500℃，变形量为50％，应变速率为0.1s-1)的贡献具体如表2所示。
表2
Figure BDA0002984365050000141
从表2可知，随着钨铼合金中HfC质量含量的增加，钨铼合金的实验压缩屈服强度也随之增加，其中，随着钨铼合金中HfC质量含量的增加，晶粒细化强化机制对钨铼合金高温强度贡献数值显著提高，贡献比例显著增加；但随着钨铼合金中HfC质量含量的增加，Orowan强化机制对钨铼合金高温强度贡献数值先增加后减小，贡献比例显著降低，说明随着HfC质量含量的增加，HfC颗粒开始团聚，Orowan的强化作用不可避免地减弱；随着钨铼合金中HfC质量含量的增加，界面热失配强化机制对钨铼合金高温强度贡献数值逐渐增加，贡献比例也随之增加，说明HfC显著改善了HfC/W-Re界面位错的冲切作用。
综上，本发明钨铼合金高温强度提高的强化机制为：(1)晶粒细化强化；(2)Orowan强化；(3)界面热失配强化，上述三种强化机制对钨铼合金的微观组织和力学性能均有不同的影响，且与钨铼合金中HfC质量含量的关系不同，应同时考虑。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据钨铼合金中各元素的组分含量，分别准确称取W粉、Re粉和HfC粉，在惰性气氛下进行高能球磨，得到混合合金粉末；
步骤二、将步骤一中得到的混合合金粉末装入石墨模具中进行快速放电等离子烧结，随炉冷却后得到钨铼合金；所述快速放电等离子烧结的过程为：在30MPa～60MPa的压力条件下，先以20℃/min的速率升温至1200℃，然后以5℃/min的速率升温至2400℃并保温25min～35min。
2.根据权利要求1所述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述W粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为5μm，Re粉的质量纯度为99.95％，平均粒径为2μm，HfC粉的质量纯度为99.9％，平均粒径为1μm。
3.根据权利要求1所述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨采用QM-3SP2行星式球磨机进行，采用的球磨罐为玛瑙罐，磨球为玛瑙球，且高能球磨的转速为350rpm～450rpm，时间为35h～45h，球料比为10～15：1。
4.根据权利要求1所述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨过程中加入无水乙醇作为控制剂，且控制剂的加入量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的10％～20％。
5.根据权利要求1所述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨结束后采用无水乙醇清洗混合合金粉末2～3次，清洗采用的无水乙醇的质量为W粉、Re粉和HfC粉总质量的5～10倍，将清洗后的混合合金粉末进行真空干燥，且真空干燥的温度为40℃～60℃，干燥时间3h-5h。
6.根据权利要求1所述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤二中先在石墨模具的内表面上铺设石墨纸，然后装入混合合金粉末，并在石墨模具外部采用碳纤维模具固定。
7.根据权利要求1所述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤二中所述快速放电等离子烧结过程中通入氩气进行保护，且随炉冷却至室温后出炉。
8.根据权利要求1所述的一种提高钨铼合金高温强度的方法，其特征在于，步骤二中所述钨铼合金的组成为W-3Re-xHfC，其中W的质量含量为97％，Re的质量含量为3％，HfC的质量为W和Re总质量的x％，且0＜x≤10。
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